izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2022-8-46-51izmertech-1641Research ArticleЛИНЕЙНЫЕ И УГЛОВЫЕ ИЗМЕРЕНИЯLINEAR AND ANGULAR MEASUREMENTSСистема измерения трёхмерной геометрии методами фазовой триангуляции и бинарных кодов Грея: программный комплекс для настройкиA three-dimensional measurement system based on the phase triangulation and binary Grey codes methods: the software package for configurationhttps://orcid.org/0000-0002-8317-3278ЗуевВ. О.ZuevV. O.

Владислав Олегович Зуев

Новосибирск

Vladislav O. Zuev

Novosibirsk

vlad.zuev.0017@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0018-7675ДвойнишниковС. В.DvoynishnikovS. V.

Сергей Владимирович Двойнишников

Новосибирск

Sergey V. Dvoynishnikov

Novosibirsk

dv.s@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2002-2998КабардинИ. К.KabardinI. K.

Иван Константинович Кабардин

Новосибирск

Ivan K. Kabardin

Novosibirsk

ivankabardin@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-3765-342XМелединВ. Г.MeledinV. G.

Владимир Генриевич Меледин

Новосибирск

Vladimir G. Meledin

Novosibirsk

meledin@itp.nsc.ruНовосибирский государственный университет Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАНРоссияNovosibirsk State University; Kutateladze Institute of thermophysics SB RASRussian FederationНовосибирский государственный университет; Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАНРоссияNovosibirsk State University; Kutateladze Institute of thermophysics SB RASRussian FederationИнститут теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАНРоссияKutateladze Institute of thermophysics SB RASRussian Federation202222052023084651Copyright © ФГУП "ВНИИФТРИ", 20232023ФГУП "ВНИИФТРИ"ФГУП "ВНИИФТРИ"https://www.izmt.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.izmt.ru/jour/article/view/1641

Рассмотрены системы измерения трёхмерной геометрии объекта методами фазовой триангуляции и бинарных кодов Грея. Проанализированы сложности настройки такой системы, возникающие при нестандартных условиях измерений, когда требуется адаптировать элементы системы к окружающим условиям. Для оптимизации параметров указанной системы измерения предложены количественные оценки качества настройки системы, основанные на результатах измерения трёхмерной геометрии объекта и промежуточных измерительных данных. Разработаны алгоритмы расчёта количественных оценок качества работы системы измерения. Создан программный комплекс из двух программ, реализующий обработку и визуализацию результатов измерения трёхмерной геометрии объекта и промежуточных измерительных данных, а также вывод на монитор количественных оценок качества работы системы измерения. Программный комплекс протестирован при настройке системы измерения трёхмерной геометрии наледи на стенде для исследования эффектов обледенения уменьшенных моделей функциональных элементов ветрогенератора. Система измерения настроена на характерный измерительный объём 85×67×25 мм. Оптимизированы частота модулирующего сигнала и параметры оптической системы: взаимное расположение и фокусные расстояния источника и приёмника оптического излучения; длительность экспозиции; усиление аналогового сигнала приёмника. Погрешность измерения трёхмерной геометрии составила 9 мкм. Для системы измерения трёхмерной геометрии объекта методами фазовой триангуляции и бинарных кодов Грея подтверждена возможность настройки с помощью разработанного программного комплекса. Программный комплекс можно использовать в областях, где требуется адаптация параметров системы измерения трёхмерной геометрии методами фазовой триангуляции и бинарных кодов Грея к окружающим условиям, например, ветро- и гидроэнергетика, горячая металлургия.

Three-dimensional object geometry measurement systems based on the phase triangulation and binary Grey codes methods were considered. Such system configuration difficulties: under non-standard measurement conditions when it is necessary to adapt system elements to environmental conditions were analyzed. To ensure the possibility of optimal  measurement system parameters search, the measurement system configuration quality quantitative estimates based on object three-dimensional geometry measurement results and intermediate measurement data were introduced. The measurement system configuration quality quantitative estimates calculation algorithms were developed. The software package, consisting of two programs, that allows to process and visualize object three-dimensional geometry measurement results and intermediate measurement data and to display measurement system operation quality quantitative estimates was created. The software package was tested on the ice three-dimensional measurement system that is used in the icing of reduced wind generator functional elements effects studying stand. The measurement system was configured for the measurement volume with the characteristic size of 85×67×25 mm. The modulation signal frequency and the optical system parameters were optimized: the optical radiation source and receiver relative location, their focal lengths, the receiver exposure time and analog signal gain value. The three-dimensional geometry measurement error of 9 μm was achieved. The three-dimensional object geometry measurement system based on the phase triangulation and binary Grey codes methods configuration possibility with the help of the developed software package was confirmed. The software package can be used in spheres where it is necessary to adapt parameters of the three-dimensional geometry measurement system based on the phase triangulation and binary Grey codes methods to environmental conditions, for example, wind and hydropower, hot metallurgy.

измерение трёхмерной геометриифазовая триангуляциябинарные коды Греянастройка системы измеренияthree-dimensional geometry measurementphase triangulationbinary Grey codesmeasurement system configurationReferencesМеледин В. Г. Оптоэлектронные информационные си- стемы для науки и промышленности // Интерэкспо Гео-Сибирь. 2014. Т. 5. № 1. С. 3–12 [Meledin V. G., Optoelectronic Information Systems for Science and Industry, Interekspo Geo-Sibir’, 2014, vol. 5, no. 1, pp. 3–12. (In Russ.)].Меледин В. Г. Оптоэлектронные информационные си- стемы для науки и промышленности // Интерэкспо Гео-Сибирь. 2014. Т. 5. № 1. С. 3–12 [Meledin V. G., Optoelectronic Information Systems for Science and Industry, Interekspo Geo-Sibir’, 2014, vol. 5, no. 1, pp. 3–12. (In Russ.)].Чугуй Ю. В. Трёхмерные оптико-электронные измеритель- ные системы и лазерные технологии для научных и промышлен- ных применений // Автометрия. 2015. Т. 51. № 4. С. 76–91 [Chugui Yu. V. Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing, 2015, vol. 51(4), pp. 385–397. https://doi.org/10.3103/S8756699015040093].Чугуй Ю. В. Трёхмерные оптико-электронные измеритель- ные системы и лазерные технологии для научных и промышлен- ных применений // Автометрия. 2015. Т. 51. № 4. С. 76–91 [Chugui Yu. V. Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing, 2015, vol. 51(4), pp. 385–397. https://doi.org/10.3103/S8756699015040093].Chen L., Huang C., Meas. Sci. Techn., 2005, vol. 16 (5), pp. 1061–1068. https://doi.org/10.1088/0957-0233/16/5/003Chen L., Huang C., Meas. Sci. Techn., 2005, vol. 16 (5), pp. 1061–1068. https://doi.org/10.1088/0957-0233/16/5/003Genovese K., Pappalettere C., Opt. Laser Eng., 2006, vol. 44(12), pp. 1311–1323. https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2005.12.005Genovese K., Pappalettere C., Opt. Laser Eng., 2006, vol. 44(12), pp. 1311–1323. https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2005.12.005Lilley F., Lalor M. J., Burton D. R., Opt. Eng., 2000, vol. 39(1), pp. 187–195. https://doi.org/10.1117/1.602351Lilley F., Lalor M. J., Burton D. R., Opt. Eng., 2000, vol. 39(1), pp. 187–195. https://doi.org/10.1117/1.602351Moore C. J., Burton D. R., Skydan O., Sharrock P. J., Lalor M., Proc. Int. Conf. Medical Information Visualisation – BioMedical Visualisation, 2006, 1691277, pp. 97–102. https://doi.org/10.1109/MEDIVIS.2006.3Moore C. J., Burton D. R., Skydan O., Sharrock P. J., Lalor M., Proc. Int. Conf. Medical Information Visualisation – BioMedical Visualisation, 2006, 1691277, pp. 97–102. https://doi.org/10.1109/MEDIVIS.2006.3Hanafi A., Gharbi T., Cornu J., Appl. Opt., 2005, vol. 44(12), pp. 2266–2273. https://doi.org/10.1364/AO.44.002266Hanafi A., Gharbi T., Cornu J., Appl. Opt., 2005, vol. 44(12), pp. 2266–2273. https://doi.org/10.1364/AO.44.002266Berryman F., Pynsent P., Fairbank J., Disney S., European Spine Journal, 2008, vol. 17 (5), pp. 663–672. https://doi.org/10.1007/s00586-007-0581-xBerryman F., Pynsent P., Fairbank J., Disney S., European Spine Journal, 2008, vol. 17 (5), pp. 663–672. https://doi.org/10.1007/s00586-007-0581-xHain T., Eckhardt, Kunzi-Rapp K., Schmitz B., Medical Laser Application, 2002, vol.17 (1), pp. 55–58. https://doi.org/10.1078/1615-1615-00047Hain T., Eckhardt, Kunzi-Rapp K., Schmitz B., Medical Laser Application, 2002, vol.17 (1), pp. 55–58. https://doi.org/10.1078/1615-1615-00047Ferraq Y., Black D., Lagarde J. M., Schmitt A. M., Dahan S., Grolleau J. L., Mordon S., Skin Research and Technology, 2007, vol. 13(4), pp. 399–405. https://doi.org/10.1111/j.1600-0846.2007.00243.xFerraq Y., Black D., Lagarde J. M., Schmitt A. M., Dahan S., Grolleau J. L., Mordon S., Skin Research and Technology, 2007, vol. 13(4), pp. 399–405. https://doi.org/10.1111/j.1600-0846.2007.00243.xJaspers S., Hopermann H., Sauermann G., Hoppe U., Lunderstädt R., Ennen J., Skin Research and Technology, 1999, vol. 5 (3), pp. 195–207. https://doi.org/10.1111/j.1600-0846.1999.tb00131.xJaspers S., Hopermann H., Sauermann G., Hoppe U., Lunderstädt R., Ennen J., Skin Research and Technology, 1999, vol. 5 (3), pp. 195–207. https://doi.org/10.1111/j.1600-0846.1999.tb00131.xLagarde J. M., Rouvrais C., Black D., Diridollou S., Gall Y., Skin Research and Technology, 2001, vol. 7(2) , pp. 112–121. https://doi.org/10.1034/j.1600-0846.2001.70210.xLagarde J. M., Rouvrais C., Black D., Diridollou S., Gall Y., Skin Research and Technology, 2001, vol. 7(2) , pp. 112–121. https://doi.org/10.1034/j.1600-0846.2001.70210.xQuan C., Tay C. J., He X. Y., Kang X., Shang H. M., Opt. Laser Techn., 2002, vol. 34 (7), pp. 547–552. https://doi.org/10.1016/S0030-3992(02)00070-1Quan C., Tay C. J., He X. Y., Kang X., Shang H. M., Opt. Laser Techn., 2002, vol. 34 (7), pp. 547–552. https://doi.org/10.1016/S0030-3992(02)00070-1He X., Sun W., Zheng X., Nie M., Key Engineering Materials, 2006, vol. 326-328, pp. 211–214. https://doi.org/10.4028/www.scientifi c.net/KEM.326-328.211He X., Sun W., Zheng X., Nie M., Key Engineering Materials, 2006, vol. 326-328, pp. 211–214. https://doi.org/10.4028/www.scientifi c.net/KEM.326-328.211Yilmaz S. T., Ozugurel U. D., Bulut K., Inci M. N., Opt. Commun., 2005, vol. 249(4-6), pp. 515–522. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2005.01.032Yilmaz S. T., Ozugurel U. D., Bulut K., Inci M. N., Opt. Commun., 2005, vol. 249(4-6), pp. 515–522. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2005.01.032Zhang Q., Su X., Opt. Express, 2005, vol.13(8), pp. 3110– 3116. https://doi.org/10.1364/OPEX.13.003110Zhang Q., Su X., Opt. Express, 2005, vol.13(8), pp. 3110– 3116. https://doi.org/10.1364/OPEX.13.003110De Angelis M., De Nicola S., Ferraro P., Finizio A., Pierattini G., Opt. Commun, 2000, vol. 175(4), pp. 315–321. https://doi.org/10.1016/S0030-4018(00)00477-6De Angelis M., De Nicola S., Ferraro P., Finizio A., Pierattini G., Opt. Commun, 2000, vol. 175(4), pp. 315–321. https://doi.org/10.1016/S0030-4018(00)00477-6Zhang Q., Su X., Opt. Laser Technol., 2002, vol. 34(2), pp. 107–113. https://doi.org/10.1016/S0030-3992(01)00097-4Zhang Q., Su X., Opt. Laser Technol., 2002, vol. 34(2), pp. 107–113. https://doi.org/10.1016/S0030-3992(01)00097-4Cobelli P. J., Maurel A., Pagneux V., Petitjeans P., Experiments in Fluids, 2009, vol. 46(6), pp. 1037–1047. https://doi.org/10.1007/s00348-009-0611-zCobelli P. J., Maurel A., Pagneux V., Petitjeans P., Experiments in Fluids, 2009, vol. 46(6), pp. 1037–1047. https://doi.org/10.1007/s00348-009-0611-zRoger Ernst R. V., Weckenmann A., Local Wall Thickness Measurement of Formed Sheet Metal Using Fringe Projection Technique, Proceedings XVII IMEKO World Congress, Metrology in the 3rd Millennium, June 22−27, 2003, Dubrovnik, Croatia, 2003, pp. 1802–1805.Roger Ernst R. V., Weckenmann A., Local Wall Thickness Measurement of Formed Sheet Metal Using Fringe Projection Technique, Proceedings XVII IMEKO World Congress, Metrology in the 3rd Millennium, June 22−27, 2003, Dubrovnik, Croatia, 2003, pp. 1802–1805.Huang P. S., Jin F., Chiang F., Opt. Laser Eng., 1999, vol. 31(5), pp. 371–380. https://doi.org/10.1016/S0143-8166(99)00019-6Huang P. S., Jin F., Chiang F., Opt. Laser Eng., 1999, vol. 31(5), pp. 371–380. https://doi.org/10.1016/S0143-8166(99)00019-6Jang P., et al, Proc. SPIE, 2006, 6377 (63770S) https://doi.org/10.1117/12.694358Jang P., et al, Proc. SPIE, 2006, 6377 (63770S) https://doi.org/10.1117/12.694358Spagnolo G. S., Ambrosini D., Physical, 2002, vol. 100 (2-3), pp. 180–186. https://doi.org/10.1016/S0924-4247(02)00051-1Spagnolo G. S., Ambrosini D., Physical, 2002, vol. 100 (2-3), pp. 180–186. https://doi.org/10.1016/S0924-4247(02)00051-1Chen L., Chang Y., Key Engineering Materials, 2008, vol. 364-366, pp. 113–116. https://doi.org/10.4028/www.scientifi c.net/KEM.364-366.113Chen L., Chang Y., Key Engineering Materials, 2008, vol. 364-366, pp. 113–116. https://doi.org/10.4028/www.scientifi c.net/KEM.364-366.113Burke J., Bothe T., Osten W., Hess C., Proc. SPIE, 2002, vol. 4778, pp. 312–324. https://doi.org/10.1117/12.473547Burke J., Bothe T., Osten W., Hess C., Proc. SPIE, 2002, vol. 4778, pp. 312–324. https://doi.org/10.1117/12.473547Lin C., He H., Guo H., Chen M., Shi X., Yu T., Journal of Shanghai University, 2005, vol. 9(2), pp. 153–158. https://doi.org/10.1007/s11741-005-0069-zLin C., He H., Guo H., Chen M., Shi X., Yu T., Journal of Shanghai University, 2005, vol. 9(2), pp. 153–158. https://doi.org/10.1007/s11741-005-0069-zHecht J., Lamprecht K., Merklein M., Galanulis K., Steinbeck J., Key Engineering Materials, 2007, vol. 344, pp. 847–853. https://doi.org/10.4028/www.scientifi c.net/KEM.344.847Hecht J., Lamprecht K., Merklein M., Galanulis K., Steinbeck J., Key Engineering Materials, 2007, vol. 344, pp. 847–853. https://doi.org/10.4028/www.scientifi c.net/KEM.344.847Yen H., Tsai D., Yang J., IEEE Trans. Electronics Packaging Manufacturing, 2006, vol. 29(1), pp. 50–57. https://doi.org/10.1109/TEPM.2005.862632Yen H., Tsai D., Yang J., IEEE Trans. Electronics Packaging Manufacturing, 2006, vol. 29(1), pp. 50–57. https://doi.org/10.1109/TEPM.2005.862632Hui T., Pang G. K., Int. Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2009, vol. 42(7-8), pp. 725–734. https://doi.org/10.1007/s00170-008-1639-6Hui T., Pang G. K., Int. Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2009, vol. 42(7-8), pp. 725–734. https://doi.org/10.1007/s00170-008-1639-6Hong D., Lee H., Kim M. Y., Cho H., Moon J., Appl. Opt., vol. 48(21), pp. 4158–4169. https://doi.org/10.1364/AO.48.004158Hong D., Lee H., Kim M. Y., Cho H., Moon J., Appl. Opt., vol. 48(21), pp. 4158–4169. https://doi.org/10.1364/AO.48.004158Ambrosini D., Paoletti D., Opt. Eng., 2007, vol. 46(9), 093606. https://doi.org/10.1117/1.2779023Ambrosini D., Paoletti D., Opt. Eng., 2007, vol. 46(9), 093606. https://doi.org/10.1117/1.2779023Gorthi S. S., Rastogi P., Optics and Lasers in Engineering, 2010, vol. 48, iss. 2, pp. 133–140. https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2009.09.001Gorthi S. S., Rastogi P., Optics and Lasers in Engineering, 2010, vol. 48, iss. 2, pp. 133–140. https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2009.09.001Dvoynishnikov S. V., Rakhmanov V. V., Kabardin I. K., Meledin V. G., Measurement, 2019, vol. 145, pp. 63–70. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2019.05.054Dvoynishnikov S. V., Rakhmanov V. V., Kabardin I. K., Meledin V. G., Measurement, 2019, vol. 145, pp. 63–70. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2019.05.054Гужов В. И., Солодкин Ю. Н. Анализ точности опре- деления полной разности фаз в целочисленных интерфе- рометрах // Автометрия. 1992. № 6. С. 24–30 [Guzhov V. I., Solodkin Yu. N., Analiz tochnosti opredeleniya polnoi raznosti faz v tselochislennykh interferometrakh, Avtometriya, 1992, vol. 6, pp. 24–30 (In Russ.)].Гужов В. И., Солодкин Ю. Н. Анализ точности опре- деления полной разности фаз в целочисленных интерфе- рометрах // Автометрия. 1992. № 6. С. 24–30 [Guzhov V. I., Solodkin Yu. N., Analiz tochnosti opredeleniya polnoi raznosti faz v tselochislennykh interferometrakh, Avtometriya, 1992, vol. 6, pp. 24–30 (In Russ.)].Двойнишников С. В., Куликов Д. В., Меледин В. Г. Оп- тоэлектронный метод бесконтактного восстановления про- филя поверхности трёхмерных объектов сложной формы // Метрология. 2010. № 4. С. 15–27 [Dvoynishnikov, S. V., Kulikov D. V., Meledin V. G., Measurement Techniques, 2010, vol. 53(6), pp. 648–656. https://doi.org/10.1007/s11018-010-9556-0].Двойнишников С. В., Куликов Д. В., Меледин В. Г. Оп- тоэлектронный метод бесконтактного восстановления про- филя поверхности трёхмерных объектов сложной формы // Метрология. 2010. № 4. С. 15–27 [Dvoynishnikov, S. V., Kulikov D. V., Meledin V. G., Measurement Techniques, 2010, vol. 53(6), pp. 648–656. https://doi.org/10.1007/s11018-010-9556-0].Двойнишников С. В., Аникин Ю. А., Кабардин И. К., Куликов Д. В., Меледин В. Г. Оптоэлектронный метод бес- контактного измерения профиля поверхности крупногаба- ритных объектов сложной формы // Измерительная техника. 2016. № 1. С. 17–21 [Dvoinishnikov S. V., Anikin Y. A., Kabardin I. K., Kulikov D. V., Meledin V. G., Measurement Techniques, 2016, vol. 59(1), pp. 21–27. https://doi.org/10.1007/s11018-016-0910-8].Двойнишников С. В., Аникин Ю. А., Кабардин И. К., Куликов Д. В., Меледин В. Г. Оптоэлектронный метод бес- контактного измерения профиля поверхности крупногаба- ритных объектов сложной формы // Измерительная техника. 2016. № 1. С. 17–21 [Dvoinishnikov S. V., Anikin Y. A., Kabardin I. K., Kulikov D. V., Meledin V. G., Measurement Techniques, 2016, vol. 59(1), pp. 21–27. https://doi.org/10.1007/s11018-016-0910-8].Пат. № 2708940 РФ / С. В. Двойнишников, В. Г. Ме- ледин, И. В. Щепихин, И. К. Кабардин, Д. В. Куликов // Изо- бретения. Полезные модели. 2019. № 35 [Dvoinishnikov S. V., Meledin V. G., Shchepikhin I. V., Kabardin I. K., Kulikov D. V., RF Patent no. 2708940, Inventions. Utility Models, no. 35 (2019)].Пат. № 2708940 РФ / С. В. Двойнишников, В. Г. Ме- ледин, И. В. Щепихин, И. К. Кабардин, Д. В. Куликов // Изо- бретения. Полезные модели. 2019. № 35 [Dvoinishnikov S. V., Meledin V. G., Shchepikhin I. V., Kabardin I. K., Kulikov D. V., RF Patent no. 2708940, Inventions. Utility Models, no. 35 (2019)].

The authors declare that there are no conflicts of interest present.